顶刊动态 | Nature子刊/AM/PRL等计算材料学术进展汇总【160714期】

今天计算材料组邀您一起阅读计算材料领域最新的研究进展。内容预览：1、利用自旋哈密尔顿理论对烧绿石铁磁体Lu2V2O7各向异性的相互作用进行从头计算分析；2、单原子的零点自旋波动；3、金属性、磁性及其分子间的微观联系；4、石墨烯亲水性机制；5、通过应变强烈增强掺杂单层MoS2的超导性能；6、铂薄膜自旋弛豫的研究；7、光子弗洛奎特拓扑绝缘体中的反常的拓扑相和未配对狄拉克锥；8、无外部磁场下石墨烯pn结中的克莱因穿隧抑制；9、电子束诱发层状锡硫属化物的转换；10、亚稳态非晶化富硅石英中电子转移过程的研究。

1、PRB：利用自旋哈密尔顿理论对烧绿石铁磁体Lu2V2O7各向异性的相互作用进行从头计算分析

图1：（a）Lu2V2O7在能量区间[-7 eV，4eV下的非相对论密度态（DOS）；（b）费米能级附近钒的轨道态；（c）单个钒氧四面体示意图（左）以及Lu2V2O7的轨道能级图（右）

海森堡哈密尔顿理论及其延伸理论是描述磁性相关体系非常成功的理论模型。然而，对于描述真实材料的性能，例如，理解晶格结构的作用（如，超交换路径）及其在自旋-自旋交换中的推论结果是必要的。在众多方法中，一种主流的方法是包括了通过在实验数据的基础上进行特定假设从而拟合计算出自旋哈密顿尔量对实验数据的形式（具体如：热、磁化率、磁化强度、非弹性中子散射等）。一种基于第一性原理海森堡哈密尔顿原则，同时通过估算耦合常数进行互补的计算方法越来越流行。

近日，德国法兰克福大学的Kira Riedl（通讯作者）团队首次将密度泛函理论和在有限群域中的电子哈密尔顿量的精确对角量结合了起来。这种方法除了晶体结构数据外无需依靠实验数据的导入。利用这种新的方法，该团队以烧绿石铁磁体Lu2V2O7为例在Eq的基础上计算了其中的双线性自旋-自旋耦合常数。而其中烧绿石铁磁体这种材料最近被提出作为具有手性边缘态的磁拓扑绝缘体候选材料，以及被发现具有磁振子霍尔效应。Lu2V2O7的磁性主要是由于占据1/2角顶的钒氧四面体贡献。由于烧绿石晶格的晶棱缺乏对称性，使得自旋轨道的原始Dzyaloshinsky-Moriya相互作用（DMI）得以发生，同时不能够被忽略。而其中，DMI被认为是Lu2V2O7具有磁振子霍尔效应的重要原因，同时使得该材料中自旋-自旋相互作用的产生磁性的原理存在争论。最后，他们将计算结果和实验所得数据进行了比较，发现两者符合得很好。

文献链接：Ab initio determination of spin Hamiltonians with anisotropic exchange interactions: The case of the pyrochlore ferromagnet Lu2V2O7 （Physical Review B ，2016，DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.94.014410）

2、Nano Letters：单原子的零点自旋波动

图2 单原子的零点自旋示意图

在广泛的技术应用中，使单原子的磁信号具有稳定性是它们成功应用的关键一步，如应用于高密度磁数据存储设备。然而，这些微小物质的量子力学性质，往往会引入零点自旋波动，而这种波动即使在绝对零度下还能通过减少磁矩各向异性的潜在势垒使得局域磁矩不稳定。

近日，德国Peter Grunberg研究所和先进仿生研究所的Julen Ibanez-Azpiroz（第一作者、通讯作者）团队阐明了其中的起源并将基础成分对磁场波动的影响效应进行了量化，命名为，（1）局域磁矩；（2）自旋轨道耦合；以及（3）电子-空穴对Stoner激发。对单原子3d、4d轨道基于第一性原理的系统性研究，他们证实了对波动横向的贡献是与磁矩本身的大小有关的，导致显著减少超过50%的磁各向异性能量。他们的分析结果最终总结为一个包含了磁矩不稳定波动于单原子的特性相关的表格，从而为设计具有最小的量子波动的磁体提供了一种实用的参考。

文献链接：Zero-Point Spin-Fluctuations of Single Adatoms （Nano Letters，2016， DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01344）

3、Nature Nanotechnology：金属性、磁性及其分子间的微观联系

图3 金纳米线的TEM图（a-d）和弦张力测试（e）以及相关模型（f）

扫描隧道显微镜（STM）和断裂结实验实现金属和作为理想的一维通道之间的宏观电极的分子间联系。包括结构、机械、电子、传输以及磁性这些系统在内，出现了新型的典型纳米现象。

意大利国际高等研究院（SISSA）的Ryan Requist（通讯作者）团队近日完成了一篇综述，在这篇综述中，重点讲述了以第一性原理为基础对前述的属性进行理论上解释。通过追踪平行理论和实验进展对从纳米线的形成和电导量子化的黄金纳米线应急磁性到Kondo相关性，本文作者团队通过对从头计算和物理观测的主要概念和成分进行了举例说明。可以预见的是，二极管、传感器、自旋阀和自旋过滤功能的自旋电子学和分子电子学的相关应用将从作者所做的解释中获益。

文献链接：Metallic, magnetic and molecular nanocontacts （Nature Nanotechnology ，2016，DOI:10.1038/nnano.2016.55）

4、Nano Letters：石墨烯亲水性机制

图4 掺杂对石墨烯润湿性的影响

石墨烯是一种二维的碳材料，具有许多潜在的应用。但是关于石墨烯到底是亲水性材料还是疏水性材料这一问题一直备受争议。多年来，石墨烯一直被认为是疏水性表面，润湿性与石墨相似。然而近几年的研究表明铜表面的石墨烯更倾向于亲水性。石墨烯的亲水性能可能与基体有关。因此有必要进一步研究石墨烯的润湿性。

近来，瑞士（苏黎世）联邦理工学院的Guo Hong（通讯作者）等人研究了本征石墨烯和掺杂石墨烯的亲水性机理。研究表明，本征石墨烯的亲水性与费米能级的位置紧密相关，而费米能的位置又受石墨烯与极性水分子相互作用的影响。第一性原理模拟表明，水分子的构型会发生变化以使之与石墨烯的掺杂状态相适应。因而，石墨烯的亲水性能通过掺杂调整费米能级的位置来实现。通过化学或电压掺杂使石墨烯的费米能级偏离狄拉克点，石墨烯的亲水性提高，这一结果与第一性原理模拟相吻合。因此，要想提高冷凝水在石墨烯表面的亲水性，只需通过简单的化学或电压掺杂就能实现。

文献连接：On the Mechanism of Hydrophilicity of Graphene（Nano Letters，2016， DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01594)

5、PRB: 通过应变强烈增强掺杂单层MoS2的超导性能

图5 纯净单层MoS2的电子能带结构

低维材料中的超导性质引起着科学界的广泛兴趣。单层MoS2具有典型过渡族金属的特征，通过减少MoS2的维度，可以使其在间接带隙到直接带隙绝缘体转变，而且电子能带结构可以直接通过ARPES测量，同时晶格振动性质也取决于MoS2的厚度。然而，超导特性很少在掺杂能带绝缘体中出现，却经常出现在非传统的超导体中。于是，已经有些理论研究表明，电子掺杂的单层MoS2和电子掺杂以及锂为嵌入层的双层MoS2被认为是具有前景的传统超导体。另外，MoS2需要在基底上制备，由此产生的应变影响是至关重要的，然而目前对于应变在单层MoS2超导性质的影响还没有被研究过。

清华大学倪军（通讯作者）等人采用第一性原理，系统地研究了应变对于单层MoS2的稳定性、电子-光子耦合和超导性质的影响。结果表明，通过掺杂和双轴应变，明显地提高了电子-光子耦合，超导临界转变温度Tc。更重要地是，在掺杂单层MoS2中，拉伸和压缩应变产生了迥然不同的影响。另外，本项工作也讨论了掺杂结构的动力学稳定性与应变之间的联系。

文献链接：Strongly enhanced superconductivity in doped monolayer MoS2 by strain（Physical Review B，2016，DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.94.024501）

6、PRL: 铂薄膜自旋弛豫的研究

图6 铂薄膜自旋驰豫现象与膜厚度的关系

研究人员用量子干涉效应揭示了单晶和多晶铂膜的自旋驰豫机制。给铂膜设定不同的厚度进行实验，研究结果表面在不改变材料性质的情况下，铂膜的自旋弛豫率与晶体结构和膜厚度有极大关系。

日本东北大学 Junsaku Nitta（通讯作者） 对铂薄膜的自旋驰豫现象进行了研究。这一研究确定了铂薄膜的自旋弛豫机制与薄膜厚度和晶体结构有密切关系。在相对较厚的薄膜处子EY机制为主，在较薄的薄膜处以DP机制为主。也就是说自旋弛豫现象不仅与DP机制有关也与EY有关。这项研究对日后生产自旋电子产品有极大帮助。

文献链接：Observation of the D’yakonov-Perel’ Spin Relaxation in Single-Crystalline Pt Thin Films（Physical Review Letters，2016，DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.256802）

7、 PRL：光子弗洛奎特拓扑绝缘体中的反常的拓扑相和未配对狄拉克锥

图7 螺旋波导的方形交错晶格

光子拓扑绝缘体（PTIs）是一类具有拓扑非零带隙光子能带结构的新兴光子器件，类似于拓扑绝缘体的单粒子电子能带结构。他们在应用于强键的单向或偏振过滤波导以及作为探测在凝聚态系统无法得到的拓扑效应的科学平台上有很大的潜力。

新加坡南洋理工大学的Daniel Leykam（通讯作者）等人提出了一类基于交错斜格并可以有效计算其弗洛奎特能带结构的光子弗洛奎特拓扑绝缘体。这一点阵支持具有零陈数和可调拓扑转换的异常弗洛奎特拓扑绝缘体。不同于以往的设计，有效规范场强可以通过如螺线之间距离之类的晶格参数进行控制，这会显著地减少辐射损失，并保证可切换拓扑波导等的应用。

文献链接：Anomalous Topological Phases and Unpaired Dirac Cones in Photonic Floquet Topological Insulators（Physical Review Letters，2016，DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.013902）

8、PRL：无外部磁场下石墨烯pn结中的克莱因穿隧抑制

图8 带状F4TCNQ/石墨烯系统的原子结构和能带结构

利用有机分子实现石墨烯表面功能化是一种进行石墨烯可控掺杂很有前途的方法。各种有机分子中，四氟二甲烷（F4TCNQ）用于有机掺杂石墨烯是被最深入研究的有机材料。这是由于F4TCNQ电子亲和势为5.24 eV，而石墨烯的功函数为4.6 eV，分子的最低未占据分子轨道远低于石墨烯的狄拉克点，因而当F4TCNQ与石墨烯接触时其成为一个有效的p型掺杂剂。

加州大学伯克利分校的Hyungju Oh（通讯作者）等人通过第一性原理计算研究了吸附在石墨烯上的有机分子（F4TCNQ）形成的密密麻麻的岛屿。该论文发现通过对这一石墨烯片上进行电子掺杂可以自然的形成一个p-n结。据预计，不同于石墨烯的传统p-n结，即使没有施加外部磁场时，由吸附的有机分子岛制得的p-n结中的克莱因穿隧也将被抑制。克莱因穿隧是通过铁磁序被抑制，该铁磁序在掺杂时自发地在分子岛上形成。此外，该论文预计了石墨烯片的磁垒约为10mT。

文献链接：Inhibiting Klein Tunneling in a Graphene p?n Junction without an External Magnetic Field（Physical Review Letters，2016，DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.016804）

9、Nano Letters : 电子束诱发层状锡硫属化物的转换

图9 电子束照射下，SnS2和SnS的原子结构发生变化

层状金属硫化物作为一类新型半导体二维材料，倍受众多科学家的关注。目前，关于过渡金属硫化物（TMDs）的研究，人们主要关注几种不同电子结构的晶相。对于能量足够接近的不同相的转换，可以通过一些温和的方式来实现，比如碱金属夹层的电荷转移、替代掺杂、电浆热电子或者高压处理等。

美国内布拉斯加大学林肯分校E. Sutter（通讯作者）等人结合高分辨投射电子显微镜和基于第一性原理计算的相关分析方法，研究了电子束照射下的层状锡硫属化物的行为。研究实现了在室温和不断升高的温度环境下，硫属原子在电子束照射下的可控去除，从而引起Sn-S系统和Sn-Se系统原子子结构的转换，这表明电子束引诱产生了具有不同性质的新相。菱形层状SnS2和SnS2在电子束引诱的硫属原子的损耗下转化为高度各向异性的正交层状SnS和SnS。该项工作提供了微观视角的转化机制，并展示了电子束照射调谐层状锡属化物的性质的方法，有望应用于电子、催化和能量存储能领域。
文献链接：Electron-Beam Induced Transformations of Layered Tin Dichalcogenides（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01541）

10、 Advanced Materials：亚稳态非晶化富硅石英中电子转移过程的研究

图10 一种用于氧气的快速移动和氧分子的随后释放模型

对于目前高质量的绝缘体、透明导体、电致发光以及电致变色材器件的应用来说，功能氧化物是作为现代微电子器件必不可少的材料。在过去的几十年中，大量的科学研究致力于生产高质量符合化学计量比且无缺陷的材料，现如今广泛存在于互补金属氧化物电子元件中，然而目前亚化学计量比非晶氧化物成为一些列新技术合成手段的研究重点。现代集成器件每层仅仅只有几纳米厚，其中电应力可能是极端的，尽管如此，氧化物材料通常认为在正常操作环境中是保持结构不变。

英国伦敦大学Adnan Mehonic（通讯作者）和 Anthony J. Kenyon（通讯作者）等人通过使用电学和结构表征手段，并结合密度泛函理论和蒙特卡洛模型，向我们展示了正常器件的实际使用电压可以导致其主要发生令人惊讶的材料结构和化学变化，在某些情况中，该过程是一个可逆过程。该实验结果的发现为亚化学计量比非晶氧化物材料的电学和光学的应用提供了一些启示。

文献链接： Nanoscale Transformations in Metastable, Amorphous, Silicon-Rich Silica（ Advanced Materials， 2016，DOI: 10.1002/adma.201601208 ）

本期文献汇总由材料人编辑部计算材料组carbon、天行健、李亦回、王训、Melissa和灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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